JP4617025B2 - Resonant power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振型電源装置に関し、特に軽負荷時の高効率化を達成した共振型電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は従来の実施形態を示す回路図である。また、図3及び図4は動作を説明するための各部の波形である。以下これらの図に従い動作を説明する。
201はAC入力から入力フィルタを介してダイオードと平滑コンデンサにより直流に整流された直流電圧である。スイッチング電源部はハーフブリッジ構成になっており、トランス202の1次巻線202aは203、204の2つのスイッチング素子により駆動される。また、205、206はスイッチング素子203、204のソース−ドレイン間に生成された寄生ダイオードを示している。207はトランス202において1次−2次間の結合に寄与しないリーケージインダクタンスを示しており、208は1次巻線202aあるいはリーケージインダクタンス207と共振動作を行う共振コンデンサを示している。スイッチング素子204の両端に取り付けられたコンデンサ209は電圧共振用のコンデンサを示している。トランス202の2次巻線202bはセンター部をグラウンドに接続され、巻き方向に対して極性の異なる両端部には整流用ダイオード210、211のアノード側が接続され、カソード側は共通に接続された後、整流用コンデンサ212に接続され、出力電圧213が出力される。
通常時の動作について説明する。
【0003】
まず、寄生ダイオード205に電流が流れている間にスイッチング素子203がターンオンする。スイッチング素子203がターンオンするとリーケージインダクタンス207と共振コンデンサ208とが共振動作を行い、共振電流Irが流れる。このときは2次側にエネルギーが供給されるため、トランスの1次巻線202aは共振動作に寄与しない。2次側に供給される電力はこの共振電流Irとトランス202の励磁電流Ilpとの差の電流がトランス202の巻き線に比例して2次巻線202bより整流用ダイオード210を介して、整流コンデンサ212に流れ、出力される。共振動作が進行し、共振電流Irとトランス202の励磁電流Ilpとが等しくなると2次側への電力の伝達は終了し、リーケージインダクタンス207、1次巻線202aと共振コンデンサ208との共振動作が行われる。このときリーケージインダクタンス207と1次巻線202aとに蓄えられたエネルギーを共振コンデンサ208に移す動作をしている。その後スイッチング素子203がターンオフすると、リーケージインダクタンス207、1次巻線202aとに蓄えられたエネルギーで電圧共振用コンデンサ209を放電する。コンデンサの電圧により寄生ダイオード206がオンすると、スイッチング素子204がターンオンする。スイッチング素子204がターンオンすると再びリーケージインダクタンス207と共振コンデンサ208との共振動作が行われ、ダイオード211を介して2次側に電力が伝達される。このときの共振電流の流れる方向はさきほどと逆になる。共振動作が進行し、共振電流Irとトランス202の励磁電流ILpとが等しくなるとリーケージインダクタンス207、1次巻線202aと共振コンデンサ208との共振動作が行われる。このときリーケージインダクタンス207と1次巻線202aとに蓄えられたエネルギーを共振コンデンサ208に移す動作をしている。その後スイッチング素子204がターンオフすると、リーケージインダクタンス207、1次巻線ス202aとに蓄えられたエネルギーで電圧共振用コンデンサ209を充電する。コンデンサの電圧により寄生ダイオード205がオンすると再びスイッチング素子203がターンオンする。以上のようにスイッチング素子203、204を交互に駆動しながら2次側に電力を供給する。
【0004】
以上の動作を説明したのが図3である。これは通常動作時の各部の波形を示しており、上から共振電流Ir、トランス202の励磁電流ILp、スイッチング素子203、204のソース−ドレイン間の電圧Vds1、Vds2、スイッチング損失をそれぞれ示している。電流共振型電源は共振動作を利用するため、ゼロ電流スイッチング、ゼロ電圧スイッチングが理想に近い形で実現されているが、スイッチング素子203、204のオン抵抗による損失、2次側整流ダイオード210、211のVfによる損失、ターンオフ時の損失等は避けることができず、スイッチング損失が生じている。図4は軽負荷時の電流共振型電源の各部の波形を示したものである。軽負荷時には2次側の出力電力が小さくなることから、スイッチング周波数を低くしなければならず、ターンオフの回数が増加することからスイッチング損失が増加し、相対的に入力電力に対して出力電力の割合が小さくなることから、効率が悪化してしまう。この様子を示したのが図6である。この図に示したように出力電力が大きいときは効率は高いが、軽負荷になればなるほど効率が悪化してしまう。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来型の電流共振型電源では、さきほどの従来例でも説明したように軽負荷時には2次側の出力電力が小さくなることから、スイッチング周波数を低くしなければならず、ターンオフの回数が増加することからスイッチング損失が増加し、相対的に入力電力に対して出力電力の割合が小さくなることから、効率が悪化してしまうという問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来例における問題点に鑑みてなされたのものであり、インダクタンスとコンデンサから決定される共振周波数で共振する共振手段と、上記共振手段の共振動作に対応して入力電圧に応じた電流をスイッチングしてスイッチング電流を生成するスイッチング手段と、1次巻線への上記スイッチング手段からのスイッチング電流に応じた電圧を2次巻線に出力する変圧手段と、上記変圧手段からの出力電圧を整流して負荷に供給する整流手段とを有する共振型電源装置において、上記共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時に上記共振手段のインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させることで従来の問題点を解決しようというものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は本発明における実施形態を説明するためのものであり、従来例と同様の機能である箇所については同一の記号を付してある。従来例を説明するための図2との回路構成上の違いはトランス202のリーケージインダクタンス207と直列にインダクタンス101を接続し、インダクタンス101の両端に動作切り替え用のスイッチング素子102を配置し、共振コンデンサ208と直列にコンデンサ103を接続し、コンデンサ103の両端に動作切り替え用のスイッチング素子104を配置したことにある。
【0008】
以下、この回路の動作について説明する。通常、共振回路の共振周波数は以下の式に基づいて算出され、
fr=1/(2×π×√(L×C))…(1)
インダクタンス値(L)とコンデンサ容量(C)とで1つに決められる。
【0009】
スイッチング素子203、204は通常インダクタンス領域で共振回路を動作させているので負荷が軽くなれば共振回路の発振周波数を上昇させ、インピーダンスを上げることでトランスの励磁電流の増加を防ぐとともに、共振電流と励磁電流との差と1次−2次間の巻き線比で決まる出力電圧との積である出力電力を小さくしている。しかしながらこの方法では負荷に見合った発振状態とするため、励磁電流を減らす必要があるため、発振周波数を上昇しなければならず、スイッチング損失が増加してしまう。本実施形態ではこの問題を解決するために軽負荷時にリーケージインダクタンス207と直列にインダクタンス101(Ls)を配置し、共振コンデンサ208と直列にコンデンサ103(Cs)を配置したことに特徴がある。
【0010】
この方法によりインダクタンス値、コンデンサ容量は
L→L+Ls C→(C×Cs)/(C+Cs)
となり、インダクタンス値は上昇し、コンデンサ容量は減少する。
【0011】
式(1)で算出される共振周波数を通常時と同じあるいはそれ以下になるようにインダクタンス101(Ls)とコンデンサ103(Cs)とを設定しておくことにより、発振周波数を増加させることなく、共振動作をさせることが可能となる。以下に示したのは共振電流Irとトランス励磁電流ILpの算出式である。
Ir∝√(C/L)…(2)
ILp=Vin×t/L…(3)
式(2)、(3)よりインダクタンス値が上昇し、コンデンサ容量が減少することから、共振電流Ir、トランスの励磁電流ILpともに減少することがわかる。
【0012】
このような方法により発振周波数を上昇させることなく、軽負荷時の動作を実現することが可能になることから高周波化によるスイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【0013】
なお、スイッチング素子102、104は通常動作時はオンしており、軽負荷時にはオフするように制御している。その他共振時の動作は従来例と同様であるため省略する。
【0014】
図5は本実施形態を説明するための各部の波形を示したものであり、上から共振電流Ir、トランスの励磁電流Ilp、スイッチング素子203、204のソース−ドレイン間電圧Vds1、Vds2、スイッチング損失を示している。従来例では通常動作時に対し、軽負荷時は発振周波数が上昇し、スイッチング損失が上昇するのに対し、本発明では軽負荷時にスイッチング素子215、217をオフすることにより共振回路を切り替えて、共振電流、トランスの励磁電流を下げて、発振周波数を同等かそれ以下になるようにすることでスイッチング素子203、204の高周波化を抑え、スイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【0015】
図6は本実施形態を実現したときの出力電力と効率の関係を示したものである。従来の回路構成では出力電力が減少すると効率が低下していくのに対して、本発明で提案する回路構成では軽負荷時にスイッチング素子102、104をオフにし、共振回路を切り替えることで出力電力が小さいときに効率の上昇が図られているのがわかる。このときはスイッチング素子203、204のオン抵抗による損失が通常動作時に比べ小さくなるので、通常時の効率より効率は上昇する。ただし、通常動作時にはスイッチング素子102、104のオン抵抗による損失が生じてしまうために共振回路の切り替え手段のないときと比べ、通常動作時の効率が若干低下する。
【0016】
【発明の効果】
従来の回路構成では出力電力が減少すると効率が低下していくのに対して、本発明によると、共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時にインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させるよう共振手段を切り替えることで共振電流、トランスの励磁電流を低くし、スイッチング周波数の増加をしなくてすむため、スイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を説明する共振型電源装置の回路構成図。
【図2】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の回路構成図。
【図3】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の通常動作時の各部波形図。
【図4】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の軽負荷時の各部波形図。
【図5】本発明の実施形態を説明する共振型電源装置の軽負荷時の各部波形図。
【図6】本発明の効果を説明する共振型電源装置の出力電力と効率との関係図。
【符号の説明】
101 インダクタンス
103 コンデンサ
102、104 共振条件切り替え用スイッチング素子(通常時オン、軽負荷時オフ)
201 AC入力より整流平滑されたDC電圧
202 トランス
202a 1次巻き線
202b 2次巻き線
203、204 ハーフブリッジを構成するメインスイッチング素子
205、206 メインスイッチング素子に生成される寄生ダイオード
207 トランス202で1次−2次の結合に寄与しないリーケージインダクタンス
208 電流共振用コンデンサ
209 電圧共振用コンデンサ
210、211 整流用ダイオード
212 平滑コンデンサ
213 整流用ダイオード、平滑コンデンサにより整流平滑された出力電圧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a resonant power supply device, and more particularly to a resonant power supply device that achieves high efficiency at light loads.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a conventional embodiment. 3 and 4 are waveforms of respective parts for explaining the operation. The operation will be described below with reference to these drawings.
A normal operation will be described.
[0003]
First, the
[0004]
FIG. 3 illustrates the above operation. This shows the waveform of each part during normal operation, and shows the resonance current Ir, the excitation current ILp of the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional current resonance type power supply, as explained in the previous example, the output power on the secondary side becomes small at light load, so the switching frequency must be lowered and the number of turn-offs increases. As a result, the switching loss increases, and the ratio of the output power to the input power becomes relatively small, so that the efficiency is deteriorated.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the problems in the conventional example described above, and a resonance means that resonates at a resonance frequency determined from an inductance and a capacitor, and a current corresponding to an input voltage corresponding to the resonance operation of the resonance means. Switching means for generating a switching current by switching, transformer means for outputting a voltage corresponding to the switching current from the switching means to the primary winding to the secondary winding, and rectifying the output voltage from the transformer means In the resonance type power supply device having the rectifying means for supplying to the load, the inductance value and the capacitor capacity of the resonance means can be switched, and the inductance value of the resonance means is increased and the capacitor capacity is decreased at a light load. This is to solve the conventional problems.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a view for explaining an embodiment of the present invention, and parts having the same functions as those of the conventional example are given the same symbols. The difference in circuit configuration from FIG. 2 for explaining the conventional example is that the
[0008]
The operation of this circuit will be described below. Normally, the resonant frequency of the resonant circuit is calculated based on the following formula:
fr = 1 / (2 × π × √ (L × C)) (1)
One is determined by the inductance value (L) and the capacitor capacity (C).
[0009]
Since the
[0010]
By this method, the inductance value and the capacitor capacity are L → L + Ls C → (C × Cs) / (C + Cs)
Thus, the inductance value increases and the capacitor capacity decreases.
[0011]
By setting the inductance 101 (Ls) and the capacitor 103 (Cs) so that the resonance frequency calculated by the equation (1) is the same as or lower than that at the normal time, without increasing the oscillation frequency, Resonant operation can be performed. The following is a calculation formula for the resonance current Ir and the transformer excitation current ILp.
Ir∝√ (C / L) (2)
ILp = Vin × t / L (3)
From equations (2) and (3), it can be seen that both the resonance current Ir and the excitation current ILp of the transformer decrease because the inductance value increases and the capacitance of the capacitor decreases.
[0012]
Since it is possible to realize an operation at a light load without increasing the oscillation frequency by such a method, an increase in switching loss due to a higher frequency can be prevented.
[0013]
The switching
[0014]
FIG. 5 shows waveforms of respective parts for explaining the present embodiment. From the top, the resonance current Ir, the transformer excitation current Ilp, the source-drain voltages Vds1, Vds2 of the switching
[0015]
FIG. 6 shows the relationship between output power and efficiency when this embodiment is realized. In the conventional circuit configuration, when the output power decreases, the efficiency decreases. On the other hand, in the circuit configuration proposed in the present invention, the output power is reduced by switching off the switching
[0016]
【The invention's effect】
In the conventional circuit configuration, when the output power decreases, the efficiency decreases. On the other hand, according to the present invention, the inductance value and the capacitor capacity of the resonance means can be switched to increase the inductance value at light load. By switching the resonance means so as to reduce the capacitance, the resonance current and the excitation current of the transformer are lowered and the switching frequency does not need to be increased, so that an increase in switching loss can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a resonant power supply device illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a resonance type power supply device illustrating a conventional embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram of each part at the time of normal operation of a resonance type power supply device for explaining a conventional embodiment;
FIG. 4 is a waveform diagram of each part at the time of a light load of a resonance type power supply device illustrating a conventional embodiment.
FIG. 5 is a waveform diagram of each part at the time of light load of the resonance type power supply device according to the embodiment of the invention.
FIG. 6 is a relationship diagram between output power and efficiency of a resonance type power supply device for explaining the effect of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 Inductance 103
201 DC voltage rectified and smoothed from
Claims (1)
上記共振手段の共振動作に対応して入力電圧に応じた電流をスイッチングしてスイッチング電流を生成するスイッチング手段と、
1次巻線への上記スイッチング手段からのスイッチング電流に応じた電圧を2次巻線に出力する変圧手段と、
上記変圧手段からの出力電圧を整流して負荷に供給する整流手段とを有する共振型電源装置において、
上記共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時に上記共振手段のインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させることを特徴とする共振型電源装置。A resonance means that resonates at a resonance frequency determined from an inductance and a capacitor;
Switching means for generating a switching current by switching a current corresponding to an input voltage corresponding to a resonance operation of the resonance means;
Transformer means for outputting to the secondary winding a voltage corresponding to the switching current from the switching means to the primary winding;
In a resonance type power supply device having rectifying means for rectifying the output voltage from the transformer means and supplying the rectified voltage to a load,
A resonance type power supply apparatus, wherein the resonance means is configured to be switchable between an inductance value and a capacitor capacity, the inductance value of the resonance means is increased at a light load, and the capacitor capacity is decreased.
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